采空區充水過程水位變化特征及影響因素研究

高 鑫 ，鄧存寶 ，邢玉忠

（1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.山西省煤礦安全研究生教育創新中心，山西 太原 030024）

隨著煤礦開采深度的增加，井下水文地質條件日益復雜，突水事故危害日益嚴重，一旦發生突水事故，往往會造成巨額財產損失和大量人員傷亡；突水后避難與救援等相關工作的開展很大程度上取決于礦井水位發展情況，有效的礦井突水水位預測及水災路徑搜索手段具有重要意義[1-3]。目前，以基于圖論及網絡理論的研究為主；馬恒等[4]以巷道交叉點的標高為搜索權重提出了水流下向、上向蔓延路徑搜索算法，并應用于未來時間段的突水范圍和水位標高點預測；蔡明杰等[5]采用無向圖和鄰接表對礦井巷道網絡進行描述和存儲，使用優化 SPFA 算法進行了單源路線搜索；于丹等[6]結合隨時間變化的水位高度對逃生路徑選擇的影響，建立了以巷道初始當量長度與危險性程度為衡量最優路徑的權值時變數學模型，并結合改進的Dijkstra 算法進行求解，優化后的模型更能反映突水時巷道內的實際情景。突水強度、礦井巷道和礦井采空區是影響礦井突水水位發展的重要因素，采空區具有不同于巷道空間的孔隙結構，突水涌入采空區后的流動過程將不同于其在巷道內的流動情況，且將對礦井水位的上升過程起到重要影響[7-8]。綜上，為研究突水后采空區充水過程中的內部水位變化特征及其影響因素，以高河能源E1305 工作面為工程背景，以單個采空區為切入點設計了采空區充水實驗；研究成果對礦井突水水位變化發展研究具有一定的借鑒意義。

1 采空區充水實驗研究

1.1 采空區兩帶發育及儲水結構特征

采空區兩帶結構示意圖如圖1。

煤層開采過程中，工作面的持續推進使得頂板懸頂跨度逐漸增大，撓曲變形逐漸加劇，直接頂巖層下沉并發生斷裂、垮落、充填；隨著工作面的持續推進，上覆巖層裂隙逐漸發育擴展，最終形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶；裂隙帶位于垮落帶之上，關鍵層切分成塊且整體垮落，垮落帶內的巖體破碎成塊度不一的散體，并發生堆積，體積較原體積有所增大，使其內部具有大量的孔隙結構，從而發揮主要的儲水作用[9-11]。

中硬覆巖下較厚煤層綜放開采形成的垮落帶及導水裂隙帶高度可由式（1）和式（2）計算[12]：

式中：Hk為垮落帶高度，m；M為煤層厚度，m；Hl為裂隙帶高度，m。

垮落帶未完全充水及完全充水狀態示意圖如圖2。

礦井發生突水時，水位上升至煤層底板標高后水流涌入工作面采空區，并主要對垮落帶內的孔隙結構進行充填，此過程即為采空區的充水過程；由于內部矸石的阻滯作用，水流在采空區的流動情況將與其在巷道等無阻礙空間的流動情況有著顯著不同，這就導致采空區出現外部水位快速上升，而內部水位低于外部水位，且自由水面出現坡度的情況；可以預知的是，在充水完成后，水面坡度減小，但該過程的具體水流蔓延情況、水位變化特征、突水強度以及空間結構對該過程的影響尚不明確。

1.2 研究背景

選取潞安集團高河能源E1305 工作面為研究背景，該工作面采用走向長壁、后退式綜放一次采全高采煤法，主采煤層為二疊系山西組3#煤層，煤層回采厚度穩定且構造簡單；一般傾角為3°～15°，平均傾角為5°，可視作近水平煤層。3#煤層頂板、底板巖層柱狀圖如圖3。

圖3 3#煤層頂板、底板巖層柱狀圖Fig.3 Column diagram of roof and floor of No.3 coal seam

工作面垮落帶最高高度為33.5 m，破碎的巖石散體體積相較原本巖體明顯變大的現象即為巖體的碎脹特性，常用破碎后體積與原體積之比，即碎脹系數表示[13]。巖體的碎脹系數滿足式（3）：

式中：kp為碎脹系數；VR1為破碎后體積，m3；VR0為原體積，m3。

巖體的碎脹受到埋深、巖性、厚度等條件的多方面影響，對于由下及上為泥巖、砂質泥巖、砂巖這類分布情況的頂板，覆巖垮落后下部巖石散體的塊度相對較小，而碎脹系數則相對較大[14]；結合E1305 工作面頂板巖性，泥巖、砂質泥巖和粉砂巖是垮落帶的主要堆積巖石。

1.3 實驗裝置

為高效模擬采空區的充水過程，簡化實驗復雜程度，將所研究采空區以外的部分簡化為1 個整體結構，使用底部尺寸為200 mm×200 mm 的亞克力材質水箱作為替代物。

水箱一側外壁由多個可活動擋板構成，能夠通過增減擋板數量實現高度調節，以對不同的巷道空間結構高度進行模擬；其余組成包括采空區模型、供水裝置、數據采集及分析儀器等；采空區模型使用亞克力板材搭建并進行防漏水處理，采空區與水箱由單側巷道相連接，整體幾何相似比為1∶200；結合E1305 工作面走向長度實際情況，主要研究采空區走向方向的水位變化情況，對工作面傾向長度即模型寬度進行一定了取舍；采空區尺寸（長×寬×高）為2 000 mm×220 mm×150 mm，工作面尺寸（長×寬×高）為220 mm×39 mm×18 mm，進（回）風巷的尺寸（長×寬×高）為200 mm×25 mm×18 mm；根據上文垮落帶高度計算結果，并參照頂板巖性及模型參數進行巖石鋪設，從下到上分別為泥巖層、砂質泥巖層和粉砂巖層，共計150 mm。模型的巖層鋪設情況見表1。

表1 模型的巖層鋪設情況Table 1 Laying of model rock formations

實驗過程中，使用水泵以某流量值向水箱供水使水位上升、水流通過巷道流入工作面采空區，多余水流將在到達水箱預設高度后溢出以維持該水位；為達到多測點數據監測的目的，選用多個液位傳感器及配套裝置進行數據采集及記錄，液位傳感器測量范圍為200 mm，外徑為5 mm，測量精度為0.5% FS；依據模型大小及研究需要，將9 個傳感器居中布置并設置測點間距為250 mm，近工作面處為1＃測點，并以此類推，每秒記錄1次水位數據。

2 實驗結果

2.1 采空區內部水位變化特征

通過分析各測點的水位上升曲線研究水位變化特征，將水量設置為1 700 L/h，水箱高度設置為150 mm。不同測點的水位隨時間變化曲線如圖4。

由圖4 可知：從傳感器探測水流到水位上升至垮落帶高度，不同測點處水位隨時間的變化具有相似的趨勢；但在充水初期，不同位置水位上升的起始時間有先后差別；近工作面端1＃測點水位最先上升后，其余測點依次開始變化，出現這種現象的原因在于，在采空區充水過程中，矸石對水流向遠端的流動起到阻滯作用，使得水流到達深部不同位置的時間有著明顯的先后差異；7＃測點處距離工作面更遠，因此其水位最后上升，同時，從曲線的變化趨勢可以看出，近工作面端水位初期上升快速而后期速度有所下降，遠端水位雖起始時間較晚，但曲線更為快速平穩；在充水末期，兩端水位達到一致高度即完成充水過程。

結合各測點的水位上升曲線，可將采空區充水過程分為2 個不同的階段：①水流向深部蔓延階段：此階段矸石將阻滯水流向遠端的流動，工作面端水位持續升高的同時水流依次流過1#～7#測點處；②后續充水：完成水流向深部的蔓延后，近工作面端水位明顯高于遠端水位，在此階段中，近工作面端水位上升速度放緩，而遠端水位快速上升，直至完成充水過程。為研究充水過程的具體發展情況，取1#～7#測點的水位測量值均值為某時刻的平均水位高度，通過平均水位高度計算可得充水完成率，計算公式如下：

式中：k為充水率；VG1為已充水的采空區體積，m3；VG0為采空區總體積，m3。

隨著充水過程的進行，采空區內部逐漸被水淹沒，直觀體現在充水率隨時間的變化而逐漸增長，并繪制出變化曲線。充水率隨時間變化曲線如圖5。

圖5 充水率隨時間變化曲線Fig.5 Curve of water filling rate with time

由圖5 可知：在充水初期，完成率曲線上升趨勢明顯，隨著充水過程的繼續，上升速度有所放緩，并在后期呈現緩慢上漲趨勢；原因在于隨著充水過程的進行，采空區內部水位逐漸升高，導致進水壓力相對降低，充水速率相對下降，充水完成率的變化曲線呈近似二次函數形式。

采空區內水面的坡度將隨時間發生變化，在初期蔓延階段近工作面端水位持續上升，水流在向采空區深部流動的過程中，水面與水平地面形成的夾角隨時間變化；在后續充水階段中，由于不同位置的水位上升速率不同，水面夾角仍將繼續變化；水位夾角正切值的大小能夠有效反映水面坡度大小，水面夾角正切值隨時間的變化趨勢則能夠有效反映該過程中的水位坡度變化情況。夾角正切值隨時間變化曲線如圖6。

圖6 夾角正切值隨時間變化曲線Fig.6 Curve of tangent value of included angle changing with time

由圖6 可知：充水初期充水速率較快，水面坡度變化較為強烈，正切值隨時間快速降低；隨著充水過程后期充水速率的降低，水位夾角正切值的減小速度也相應放緩，并在充水完成時到達最小值；比較夾角正切值的變化趨勢與充水率的變化趨勢，可以發現兩者具有良好的相關性。

結合上述變化過程可以認為：在整個充水過程中，水面總是呈現近工作面端水位較高而遠工作面端水位較低的坡度情況，隨著充水過程的逐步完成，自由水面坡度由陡峭而逐漸平緩。

2.2 影響因素

井下空間的復雜性不僅體現在突水點的不確定性上，也體現在突水后井下巷道空間結構對于礦井水位上升的影響；對于單個采空區而言，突水后與該采空區相連巷道的空間結構將決定突水后采空區入口水位的高低，這是影響充水過程的重要因素；在此次實驗中，通過改變水箱高度來實現變量控制。設置水量為2 000 L/h，不同水箱高度下采空區完成充水用時見表2。

表2 不同水箱高度下采空區完成充水用時Table 2 Water filling time at different heights of water tank

由表2 可知：隨著水箱高度的增加，完成采空區充水所用的時長減少；以水箱高度150 mm 時所用時長128 s 為基準，提升至175 mm 后，用時縮短了14.8%；繼續提高至200 mm 后，則縮短了23.4%。在重力作用下，更高的入口水位將使進水壓力相對更大，充水的速度相對更快。

為研究不同水箱高度條件對于充水過程的影響，繪制各條件下的充水率隨時間變化曲線，在充水時間相同時，水箱高度200 mm 的實驗組充水率最高，175 mm 條件下次之，150 mm 條件下則最低。不同水箱高度條件下的充水率變化曲線如圖7。

由圖7 可知：較早階段3 條曲線的一致率較高，這主要是因為在充水初期，外部水位的高度尚未達到預設條件而處于上升過程，充水速度相近導致的；在充水時間較短時，充水率極為相近，而在后期則出現水箱高度越高充水率越高的現象。

對充水過程后期不同充水率的所用時長進行定量分析，以水箱高度150 mm 實驗組為基準，研究在不同條件下完成同樣充水率時所用時長的降幅特征。不同充水率所需時長見表3，依據表中數據得到以低水箱高度條件為基準，不同水箱高度所需時長的降幅曲線如圖8。

表3 不同充水率所需時長Table 3 Time required for different filling rates

圖8 不同水箱高度所需時長的降幅曲線Fig.8 Curves of decreasing time required for different tank heights

以水箱高度150 mm 實驗組為參照，相比之下，水箱高度175 mm 的實驗組所用時長的降幅呈現增長趨勢；充水率為0.5 時，降幅僅為4.5%；到充水完成后，降幅達到最大值14.8%；水箱高度200 mm 實驗組具有同樣的變化趨勢，充水率 為0.5 時，降幅為6.8%；到充水完成后，降幅達到最大值23.4%，且200 mm 實驗組的降幅始終大于175 mm實驗組；期間雖然出現個別異常點，但整體上升趨勢明顯。從整個變化過程可以看出，水箱高度越高，完成同樣充水效果所需的時間越短；前期相同充水率所用時長的降幅很小，隨著充水過程的進行，降幅逐漸變大，降幅曲線呈上升趨勢。

礦井突水水量的大小是影響礦井水位發展過程的重要因素。將影響采空區的充水過程直觀反映在充水用時的長短，對不同水量下充水所用時長進行定量分析，以此來研究突水量對于充水過程的影響。將水箱高度設置為150 mm，不同水量下采空區完成充水用時見表4，不同水量條件的充水率變化曲線如圖9。

表4 不同水量下采空區完成充水用時Table 4 Water filling time at different water volumes

圖9 不同水量條件的充水率變化曲線Fig.9 Variation curves of water filling rate under different water volumes

由表4 可知：隨著水量的增加，采空區充水所用的時長有所減少，這意味著大水量將使采空區充水速度有所加快。以小水量用時153 s 為基準，當提升至中水量后，用時縮短了7.8%；提升至大水量后，用時則縮短了16.3%。

由圖9 可知：水量越大，相同充水時間后的充水完成率越高，且在整個過程中，2 000 L/h 條件下的充水率均大于1 700 L/h 條件下的充水率，1 400 L/h 條件下的充水率則始終最低。

不同水量條件下完成相同充水效果所需的時間差異較大，對不同充水率的所用時長進行定量分析，并以水量1 400 L/h 實驗組為基準，研究所用時長的降幅特征。不同充水率所需時長見表5，不同水量所需時長的降幅曲線如圖10。

表5 不同充水率所需時長Table 5 Time required for different filling rates

圖10 不同水量所需時長的降幅曲線Fig.10 Curves of decreasing time required for different water volumes

由圖10 可知：不同水量條件下的時長降幅較為穩定，曲線呈現非增長趨勢；以水量1 400 L/h實驗組為參照，對于水量1 700 L/h 的實驗組，充水率為0.1 時所用時長降幅為7.7%，充水完成時的降幅也僅為7.8%；水量2 000 L/h 實驗組具有同樣的變化趨勢，充水率為0.1 時所用時長降幅為23%，充水完成時降幅為16.3%，且在整個過程中，大水量條件下的降幅始終大于中等水量實驗組；從整個變化過程可以看出，突水量越大，采空區的充水速率越快，完成同樣充水率所需的時長越短，且不同充水率所用時長的降幅較為一致，時長降幅曲線呈平穩趨勢。

3 結 語

1）矸石對水流的阻滯作用將使充水過程包含初期水流蔓延階段和后續充水階段，該過程中充水完成率隨時間逐漸增長并近似二次函數變化；該過程中近工作面端處水位較高而遠端處水位較低，水面出現坡度且隨時間逐漸平緩，水面夾角正切值呈現非線性變化。

2）礦井空間結構和突水量是影響采空區充水速率的重要因素。通過改變水箱高度研究礦井空間結構的影響，發現提高水箱高度將縮短充水所用時長，以水箱高度150 mm 實驗組為基準，175、200 mm 實驗組用時分別縮短了14.8%和23.4%；大突水量也將加快充水速率，以水量1 400 L/h 為基準，1 700、2 000 L/h 實驗組的用時則分別縮短了7.8%和16.3%。